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24.10.1986 - 

Hinter den Kulissen wird unbeirrt am optischen Computer gearbeitet:

Bald geht den Rechenzentren ein Licht auf

Von CW-Mitarbeiter Egon Schmidt

Seit es Computer gibt, arbeiten diese Maschinen stets langsamer, als ehrgeizige Entwickler und Rechnerkapazität-süchtige Anwender wie etwa Teilchenphysiker es sich eigentlich vorstellen könnten. Das galt schon zu Zeiten der elektro-mechanischen Relais-Rechner, das ließ sich ebenso von den frühen Röhren und Transistor-Maschinen sagen, und das gilt heute, im Zeitalter der Megabit-Chips und der Picosekunden-Bauelemente, immer noch. Die potentiell weitaus schnelleren "Licht-Rechner" tauchen daher immer wieder als Joker In Diskussionen auf, die sich mit den Grenzen der herkömmlichen, elektronischen Rechenmonster befassen.

Auf dem Weg zum optischen Computer, der hinter den Kulissen vermutlich noch weit intensiver erforscht wird, als die spärlichen Nachrichten ahnen lassen, ist erst kürzlich erneut ein "Meilensteinchen" passiert worden. Denn, so berichteten unlängst die als Erfinder des Transistors" bekannten Bell Laboratories, in den USA habe man nun sozusagen das optische Gegenstück zu jenem Basis-Element der heutigen Elektronik-Logik gefunden; eine Art Licht-Transistor. Bei dieser Entdeckung des Bell-Wissenschaftlers David A.B. Miller handelt es sich um eine Struktur, die aus Tausenden einzelner Schichten besteht, die ihrerseits wie die Lagen eines "Hamburgers" übereinandersitzen und die abwechselnd aus den Verbindungen Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid bestehen. Jede einzelne Schicht ist nur rund 40 Atomlagen dick.

Undurchsichtige Schichten steuern Laserstrahl

Diese Struktur namens "SEED" (Self Electrooptic Effect Device), läßt, legt man daran eine elektrische Spannung an, einen Laser-Strahl ungehindert durch. Doch setzt man sie außerdem noch einem anderen, schwächeren Lichtstrahl aus, so erfährt das am SEED-Chip anliegende, elektrische Feld eine, wichtige Modifikation; es ändert sich in einer Weise, daß dem Haupt-Laserstrahl plötzlich der Weg versperrt wird. Denn bestimmte Schichten des SEED werden unter der Doppel-Einwirkung von elektrischer Spannung und zusätzlicher Beleuchtung auf einmal undurchsichtig.

Was die Wissenschaftler um Miller hier also entwickelt haben, ist sozusagen die optische Variante eines herkömmlichen Transistors. Denn hier steuert ein schwacher Lichtstrahl einen starken, und beim Transistor steuert ein schwacher Strom einen starken. In beiden Fällen aber ist es möglich, durch Rückführen des gesteuerten starken Lichtstrahls oder Stroms in einen weiteren SEED beziehungsweise Transistor, wo er dann selber als steuernder Strahl oder Strom wirkt, logische Schaltungen und mithin Computer aufzubauen.

Am SEED, der übrigens im schon länger bekannten, aus Schottland stammenden Licht-Schalter "Transphasor" ein britisches Gegenstück hat, ist vor allem das grundsätzliche Potential interessant, das die Fachwelt der neuen Technik der optischen Logik zuschreibt. Denn, so sagt beispielsweise Professor Dr. Lohmann vom Lehrstuhl für Angewandte Optik der Universität Erlangen, mit optischen Elementen nach Art des SEED und des Transphasors sowie vor allem mit weiteren Bauelementen, die nach dem Prinzip eines, sogenannten Interferometers arbeiten, könne man "die typischen Rechnerfunktionen wie das logische UND, das logische ODER, die logische Negation und schließlich auch Speicherfunktionen realisieren".

Für Forscher wie den Erlanger Lohmann ist absehbar, daß optische Bauelemente eine Chance eröffnen, die übliche Elektronentechnologie, die mit verschiedenen Problemen wie etwa der großen Trägheit der einzelnen Ladungen behaftet ist, abzulösen. An ihre Stelle könnte dann "die viel schnellere Photonen-Technik", also das Rechnen mit sozusagen den elementaren Licht- "Teilchen", treten; zumindest "in bestimmten, zentralen Bereichen eines Rechners".

Diese "optischen CPUs" der Zukunft könnten herkömmliche (Großrechner-) Zentraleinheiten nun aber nicht bloß dadurch um Längen schlagen, daß die schiere Schalt- und damit Rechengeschwindigkeit eines so "hellen Kopfes" jene der Elektronenmaschinen um das vielleicht Tausendfache übertreffen dürfte, sondern außerdem noch durch eine andere Neuerung. Denn im Bereich der optischen Rechner beziehungsweise, spricht man von Chips, der "integrierten Optik", ist es ja möglich, vorgegebene und bewährte Grundstrukturen "in unvorstellbarem Ausmaß zu vervielfältigen", wie man aus Erlangen erfahren kann. Und diese Möglichkeit wiederum führt zum bekannten, und derzeit mehr und mehr an Interesse gewinnenden Prinzip der parallelen Rechner; wobei jenes hier dann eben in Gestalt parallel angeordneter und parallel operierender, optischer Logik-Elemente seine Verwirklichung finden könnte.

An dieser Idee des parallel arbeitenden optischen Rechners ist nun wieder besonders interessant, daß man in dem Moment, da man von herkömmlichen Elektronen auf Photonen übergeht, plötzlich in eine technisch völlig andere - hellere?- Welt gerät. Jetzt werden beispielsweise Linsen, Spiegel und andere optische Komponenten eingesetzt, die ohne jedes Problem Tausende einzelner Lichtstrahlen gleichzeitig weiterleiten und beeinflussen können ohne daß der eine Strahl dabei den nächsten stören würde.

Von Haus aus geeignet für Parallelverarbeitung

Es ist die optische Computerei also schon aus der schieren Natur des Lichts heraus eine Welt, die sich sozusagen von Haus aus für das parallele und damit schnelle Verarbeiten von Daten eignet; und damit ist weniger an die übliche Computer-Buchhaltung oder derartige kommerzielle Anwendungen zu denken, sondern an so interessante, innovative und rasch sich entwickelnde Gebiete wie Muster- und Bilderkennung, Durch suchen umfangreicher Datenbestände und dergleichen mehr. Das reicht bis hin in die Gefilde der heute noch in den Kinderschuhen steckenden "Künstlichen Intelligenz".

Das Potential der - auch für Militärs - sehr attraktiven optischen Computerei scheint man besonders im Hause der Bell Laboratories für ausgesprochen weitreichend zu halten. Denn dieses Institut arbeitet schon intensiv an der Entwicklung erster Laborversionen möglicher späterer Licht-Rechner. Und in Zuge dieses Projektes, das übrigens nicht zuletzt auf der Lichtwellenkabel-Arbeit des Bell-Mutter-Unternehmens AT&T aufsetzt, ist der eingangs erwähnte SEED nur eine von mehreren, gleichzeitig voranzutreibenden Entwicklungen.

Für Alan Huang, den Chef des Bell-Labors für optische Datenverarbeitung, ist bereits heute sicher, daß "ein optischer Computer gebaut werden kann" und daß er in dem Sinne Praktischen Wert haben wird, daß er, über herkömmliche LSI-Elektronenrechner hinaus, "deutliche Vorteile" aufweisen wird. Damit steht Huang übrigens in deutlichem Gegensatz zum AT&T-Rivalen IBM, wo man von Licht-Rechnern eher wenig zu halten scheint, doch erfährt das Bell-Team wiederum Befürwortung durch David Casa, den Direktor der Optik-Labors der auch nicht eben unbekannten Carnegie-Mellon-University:Der nämlich spricht hier von einer "ganz, ganz heißen" Sache.

Besonderer Vorzug ist Parallelismus

Huang und seine Leute wollen in den kommenden Jahren den Labor-Prototypen eines optischen Rechners vorstellen, der auf Mehrlagen-Sandwich-Strukturen ähnlich dem eingangs beschriebenen SEED-Typ aufbauen dürfte. Wobei auch Bell-Wissenschaftler David A.B. Miller, der übrigens weithin als Experte für eben diese "bistabilen" optischen Bauelemente gilt, ins gleiche Horn stößt wie der Erlanger Professor Lohmann: "Der besondere Vorzug der Optischen Systeme ist ihr Parallelismus..."

Macht nämlich der Bau elektronischer Parallrechner unter anderem auch deshalb Schwierigkeiten, weil allein schon die physische Anordnung der zahllosen Verbindungs-Leitungen zwischen den einzelnen Schaltelementen gewisse Barrieren setzt, so ist ein "Verschalten" mittels frei den Raum durcheilender Lichtstrahlen viel leichter vorstellbar. Und dann muß man auch noch sehen, daß Elektronenrechner wohl spätestens bei Taktfrequenzen von einigen Gigahertz, also von einigen Milliarden Takten pro Sekunde, an ihr Ende kommen dürften; denn Schaltzeiten kürzer als Picosekunden, das, wären Millionstel von Millionstel Sekunden, sind kaum realisierbar. Hingegen denken Forscher bei optischen Bauelementen bereits an Femtosekunden-Schaltzeiten; und eine Femtosekunde dauert eben nur den millionsten Teil einer Milliardstel Sekunde. Licht kommt in einer Femtosekunde übrigens, rein rechnerisch, nur 0,3 Nanometer weit; das entspricht rund dem dreißigmillionsten Teil eines Millimeters.

Lichtrechner sind leistungshungrige Systeme

Allein diese Zahlen zeigen schon, daß in die Entwicklung optischer Rechner, sollen dabei jemals sinnvoll nutzbare Systeme herauskommen, noch viel an Geist und vor allem rechnerarchitektonischer Erfindungskraft gesteckt werden muß; und außerdem muß dann noch anderes beachtet werden, will man wirklich vorankommen. Denn bei Licht-Rechnern hat man es nach dem derzeitigen Stand des Wissens mit ausgesprochen leistungshungrigen Systemen zu tun, wie IBM-Wissenschaftler errechneten.

Heutige bistabile optische Bauelemente, so die knappe Rechnung zu allein diesem Punkt, benötigen zum Schalten derzeit noch Leistungen im Milliwatt-Bereich - und das würde rechnerisch zu Systemen führen, die, je nach Ausbaustufe und Leistungsumfang, eine sehr hohe elektrische Leistung benötigen würden. Nebenbei könnte dies auch noch unangenehme thermische Effekte nach sich ziehen.

Sicherlich interessiert an allen möglichen Konzepten optischer Rechner und Spezialrechner für ganz bestimmte Aufgaben ist beispielsweise das Pentagon im Rahmen seiner Star-Wars-Pläne. Es gibt dort bereits ein SDI-Konsortium für optische Computer, dem als technischer Direktor John Caulfield vorsteht und der sagt, er habe Befehl, auf einen "signifikanten Durchbruch" hinzuarbeiten. Dazu werden in einem vorerst von 1985 bis 1988 laufenden Programm Mittel ausgeworfen, die sowohl Hochschulen als auch kleine Nischen-Firmen bei ihren Arbeiten über optisches "Computing" voranbringen sollen. Fachleute hoffen, zwischen den verschiedenen Optik-Teilbereichen, die da überall im Lande Ronald Reagans beackert werden, werde es im Laufe der Zeit zu Konvergenzen und Synergismen kommen, die den optischen Rechner dann ein kräftiges Stück voranbringen könnten.

So werden unter dem Rubrum Star Wars beispielsweise analog-digitale, optische Hybrid-Rechner studiert, die den bekannten elektronischen Hybridrechnern aus der Frühzeit der Datenverarbeitung ähneln und bei denen der analoge Teil komplizierte und der digitale Teil einfachere Berechnungen ausführen soll. Dabei soll der Analog-Teil aus so exotischen Details wie akusto-optischen Matrix-Prozessoren in Gestalt sogenannter "systolischer Arrays" aufgebaut werden, während bistabile Halbleiter die digitale Hälfte ausmachen sollen.

Ein weiteres Forschungs-Teilgebiet betrifft die vielversprechenden Möglichkeiten der "optischen Verbindung von Bauelementen. Hier zielt man auf Techniken ab, bei denen innovative Laser- und Lichtwellenleiter-Strukturen zum Aufbau umfangreicher Systeme mit, verteilten Verarbeitungselementen dienen sollen. Dabei wird zum Beispiel an Laser-Transceiver gedacht, also an Laser-Sende- und Empfängerbausteine, die als Ein-/Ausgänge der eigentlichen Prozessoren fungieren sollen. Und dreidimensional-holographisch arbeitende Schalter sollen die Laserstrahlen dann so zwischen den Transceivern und ihren jeweiligen Prozessoren hin- und her schalten, daß ganz neue Mehrprozessor-Architekturen verwirklicht werden können - Architekturen nicht nur in zwei-, sondern auch dreidimensionaler Gestalt.

Lahme Elektronen bremsen flotte Photonen

Bei vielen dieser und anderer, weiter unten noch zu skizzierenden Forschungen, sind es interessanterweise nicht etwa optische Probleme, die den Fortschritt verzögern, sondern elektronische; die "flotten Photonen" werden also, um es bildlich auszudrücken, von "lahmen Elektronen" gebremst. Dies hat jedenfalls John Caulfield beobachtet, der schon in früheren Jahren an Versuchen beteiligt war, einen akusto-optischen Rechner für den kommerziellen Markt zu entwickeln.

Neben der Star-Wars-Abteilung des Pentagon ist auch die bekannte Militär-Agentur zur Förderung ehrgeiziger Forschungsprojekte (Darpa) auf dem Felde des optischen Rechners aktiv. Dabei steht die Suche nach sogenannten "nicht-linearen Materialien" im Vordergrund, mit denen sich die oben erwähnten holographischen Schalter aufbauen lassen sollten.

Darpa hat zu diesem Zweck Firmen wie Honeywell und Rockwell International unter Vertrag, die gleich auch passende Transceiver in Form von Integrierte-Optik-Chips entwickeln wollen und die dabei als erstes Zwischenziel eine Einheit vor Augen haben, bei der auf einem einzigen Chip sowohl ein Laser als auch ein Detektor, ein Multiplexer und ein Demultiplexer Platz finden sollen; dabei dienen Laser und Detektor zum Senden und Empfangen der Lichtstrahlen und die beiden anderen Bauelemente zum Verschachteln mehrerer Signale in einen einzigen Strahl beziehungsweise zum Wieder-Trennen der gemischten Informationen.

Optische Strecken durch den freien Raum

Weitere Arbeiten gelten optischen Verbindungsstrecken quer durch einen freien Raum, mit deren Hilfe man Probleme, die sich durch minimale Abweichungen einzelner Komponenten eines Rechners vom zentralen, für alle Bauteile verbindlichen Takt ergeben, in den Griff bekommen möchte. Denn man will nun Takttsignale per Laser-Strahl direkt zu Laser-Detektor-Chips leiten, die überall im Rechner verteilt angebracht sind und die dann ihre lokalen Bauelemente exakt in den vorgeschriebenen Rhythmus zwingen könnten. Dabei sollen holographische Schalter für die verzögerungsfreie Verteilung dieser kritischen Takt-Impulse sorgen.

Weitere Darpa-Arbeiten haben die Entwicklung rekonfigurierbarer Schaltsysteme zum Ziel, die neue, "optische" Computerarchitekturen heute noch unbekannter Leistungsstärke realisierbar machen sollen. Wobei an dieser Stelle vielleicht kurz noch notiert werden sollte, daß viele Darpa-Projekte sozusagen als VS-Gegenstück zu Japans ehrgeizigen Plänen der Entwicklung einer ganz "neuen Generation" künstlich intelligenter Rechner aufzufassen sind.

Umwandlung dauert vergleichsweise lang

Manche der hier knapp skizzierten Projekte sind zwar sehr interessant, aber von ihrer praktischen Realisierung gewiß noch eine ganze Reihe von Schritten entfernt. Denn im Nahbereich der Arbeiten an optischen Rechnern und Rechnerbauteilen stehen heute noch so elementare Probleme an - wie etwa das der ungleichen Geschwindigkeiten, mit denen optische und herkömmliche elektronische Baugruppen arbeiten: Allein schon die - bildlich gesprochen "Umwandlung" von Elektronen in Photonen, die ja beim Übertritt der Volt- und Watt-Welt in die des Lichts erforderlich ist, dauert vergleichsweise lang; und das gleiche ist erneut der Fall, wird die strahlende Welt der Lichter später wieder verlassen.

Will man daher vermeiden, daß die lahmen Elektronen ganz real die schnellen Photonen bremsen, so muß man sich System-Konzepte ausdenken, die den geschilderten Ein-/ Ausgabe-Engpaß nach Möglichkeit vermeiden und die daher möglichst viel an Rechnerarbeit intern, also exklusiv nur im optischen Bereich des Gesamt-Apparats, erledigen.

Womit wir wieder bei den Bell Labs und bei Alan Huang wären. Denn er hat für seinen Licht-Computer eine Fließband-Architektur (Pipeline) im Visier, die es erlauben soll, 99 Prozent der ganzen Information "innerhalb des optischen Bereiches zu verarbeiten".

Dabei ist besonders wichtig, daß die Maschine nach Fütterung mit den ersten Daten kontinuierlich weiterbrachten kann und keinerlei Zwischenstopps mehr einlegen muß, um zusätzliche Informationen mit der Welt rund um sie herum auszutauschen. Allenfalls ein fortwährender weiterer Nachschub an Daten, der das interne Arbeiten des Systems aber nicht direkt bremsen darf, ist noch gestattet.

Diese Ideenskizze läßt übrigens auch schon erkennen, daß optische Rechner nicht gerade zum Ersetzen eines Massen-Produkts wie etwa eines typischen PCs gedacht sind, sondern, zumindest noch für lange Jahre, eher die Rolle einer Nischen-Technik spielen werden.

Für lange Jahre noch in der Nische

Man könnte sich nämlich vorstellen, daß optische Rechner als Teile umfassender Allzweck-Systeme vorgesehen werden und dort dann so knifflige und heute noch zeitraubende Dinge wie die Verarbeitung von Bildern, die Erkennung von Mustern und andere, numerisch sehr intensive Sachen bearbeiten. Was im Grunde nur wieder der gleichen Rolle entsprechen wurde, die herkömmliche Superrechner wie eine Cray oder eine CDC innerhalb universeller großer Rechenzentren schon heute spielen.

Diese dienende Rolle, die optischen Systemen vorerst zugewiesen werden dürfte, erklärt auch das relativ große Interesse der Militärs an solchen Optik-Spezial-Entwicklungen, das sich ja deutlich von der Licht-Abstinenz des Rechner-Giganten IBM und anderer abhebt. Denn zum Beispiel im Bereich der Bildverarbeitung und Mustererkennung grenzt das neue Feld der optischen Rechner eng an das intensiv bearbeitete der herkömmlichen, militärisch orientierten Signalverarbeitung.

Optischer Prozessor

Auf dem Wege zu optisch arbeitenden Rechnern ist in den USA ein Versuchs-Bauelement entwickelt worden, das nicht allein wegen seines langen und daher zum Akronym "PRIMO" zusammengerafften Namens Interesse erweckt: der "programmable realtime incoherent matrixmultiplier optical processor" der Hughes-Forschungs-Laboratorien im kalifornischen Malibu.

Bei diesem programmierbaren, optischen Echtzeit-Matrix-Multiplizierer auf Basis inkohärenten Lichts - das ist Licht, das nicht, wie etwa beim Laser, in gleicher Phasenlänge schwingt - werden Berechnungen so ausgeführt, daß Licht, das von einer Quelle zu einem Detektor geht, durch ein steuerndes, elektrisches Signal moduliert wird. Und dabei nimmt die Lichtstärke Werte an, die man als numerische Zahlen interpretieren kann.

Zunächst ist nur ein simples Primo-System mit lediglich 4 mal 4 Feldern fertig gestellt worden, doch das Labor in Malibu arbeitet bereits an der Vervollkommnung eines Systems mit 32 mal 32 Elementen. Dieses Primo soll pro Sekunde 10 Billionen (10e13) Multiplikationen ausführen können.

Ein Primo entspricht im wesentlichen jener Gattung optischer Bauelemente, die als "spatiallight-modulator" (SLM) bekannt sind, doch arbeitet es eben, im Gegensatz zu jenen, mit inkohärentem Licht. Das verbilligt einerseits den Bau des Primos, doch können andererseits störende Nebeneffekte, und zwar sogenanntes "Übersprechen", auftreten. Diese werden bei Verwendung kohärenter Lichtstrahlen vermieden, denk hier können Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge einander ohne Interferenzeffekte kreuzen. Der erwähnte SLM ist heute das Kernstück einer Reibe bildverarbeitender Systeme, und seine Arbeitsweise läßt sich kurz so umreißen: Ein Hell-Dunkel (Bild-) Muster, das auf den SLM projiziert wird, verändert die Intensität, mit der Laserstrahlen am Ausgang des SLM austreten. Denn deren Intensität hängt eben davon ab, wie hell das Bildmuster am Ort des jeweiligen Strahls gerade ist.

Zur schnellen Erkennung gleicher Muster kann man zwei verschiedene Bilder gleichzeitig bearbeiten und aus den Resultaten die entsprechenden Informationen gewinnen. Dabei arbeitet der SLM aber nicht wegen seiner eigentlichen Schaltzeit sehr schnell, denn die liegt "nur" im Bereich von Nanosekunden. Was ihn wirklich schnell macht, und zwar besonders im Vergleich zu elektronischen Techniken, das ist seine absolut parallele Arbeitsweise: Jedes Bild wird, in einem einzigen Arbeitsgang, als Ganzes behandelt.